中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133
摘要：光谷广场地下综合体是集轨道交通工程、市政工程、地下公共空间于一体的综合项目，主体结构为地下三层大跨度多跨现浇框架混凝土结构，呈圆盘形，结构体型复杂，三个结构层存在较大的不规则。将设计模型导入到有限元分析软件ANSYS中，对主体结构进行的反应谱分析和时程分析，通过两种方法的对比及软件分析结果，对主体结构给出了一些设计建议，并针对受力较大的梁、独立片墙等给出了可行的设计建议和处理措施，有效的提高了设计结构的可靠性。
关键词：地下结构；反应谱分析；时程分析；设计建议
Seismic Response Analysis and Design Proposals for the Main Structure of a Large Underground
DONG Xianlong
（China Railway Tunnel Survey&Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）
Abstract：The underground synthesis is a comprehensive project which include rail transit engineering，municipal engineering and underground public space.The main structure is a three-story large and multi-span frame concrete structure cast in site，the structure is a disc shape and very complex，There is a large irregularity in the structure layer.，we get the designed model to the software ANSYS，Based on the results of the response spectrum analysis and time history analysis of the main structure，according to the calculated result，some optimizuozhe zation suggestions are given for the main structure，and feasible design suggestions and disposal measures are given for the beam with large force and the independent wall，which，effectively improve the reliability of the design structure.
Key words：Underground structure；response spectrum analysis；time history analysis；design suggestion
1.工程概况
光谷广场地下综合体位于武汉市东湖新技术开发区光谷广场下方，是集轨道交通工程、市政工程、地下公共空间于一体的综合项目。轨道交通工程涉及的2号线、9号线、11号线和市政工程涉及的2条6车道线路均从主体结构中穿过，通过车站和通道实现换乘和分流。
该综合体由三层和一个夹层组成，地下一层为地铁通高换乘大厅及珞喻路隧道上方物业开发，地下一层夹层为9号线站台层及鲁磨路隧道，地下二层为公共区转换厅、南延1线区间、珞喻路隧道及设备用房，地下三层为11号线站台层，隧道线路布置如图1所示。综合体总建筑面积为110147㎡，其中，地铁建筑面积为73704㎡，物业开发建筑面积为15320㎡，市政隧道面积为21123㎡。综合体体形庞大、结构十分复杂，车站底板设计埋深34m，顶板覆土2.0m。主体结构为地下三层大跨度多跨现浇框架混凝土结构，呈圆盘形，如图2所示为其三维框架模型图，主要受力的结构有板、梁、侧墙、柱，并将荷载通过抗拔桩传递到地基上。
2.结构建模及计算说明
2.1结构设计相关参数设置
基本结构设计参数为：结构安全等级一级，Ⅱ类建筑场地，重点设防类（乙类），按7度采取抗震措施。抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。
主体受力结构采用普通钢筋混凝土材料，各构件主要材料如下：所有板、梁、侧墙采用C35混凝土，框架柱采用C50混凝土；纵向受力钢筋为HRB400E级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋。
2.2主体结构主要尺寸
主体结构有三层，其中地下一层有部分夹层，除夹层外的板、梁、侧墙尺寸详见表1；夹层板鲁磨路隧道部分厚800mm，9号线站台范围厚700mm，夹层板两侧梁尺寸1400x2100mm，夹层板中间梁尺寸1100x2100mm。结构的框架柱截面为圆形，地下一层柱直径1200mm，地下二层柱直径1400mm，地下三层为胶囊型，侧墙承重。
注：TB-1-1表示9号线行车板范围顶板；TB-1-2表示其他密肋板；TB-3-1表示与2号南延线相交处及与珞瑜路隧道相交处顶板；TB-3-2表示11号线顶板。
2.2有限元模型建立
在ANSYS Release 16.0版软件下，对综合体主体结构进行有限元模型的建立，采用板壳单元SHELL181模拟楼板与侧墙，采用梁单元BEAM189模拟结构梁、柱与抗拔桩，梁、板壳单元的截面特性及材料按结构实际取值。SHELL181适用于薄到中等厚度的壳结构；该单元有四个节点，单元每个节点有六个自由度，分别为沿x，y和z方向的平动及绕x，y和z轴的转动。BEAM189是二次（3-节点）3-D梁元素，当KEYOPT（1）=0（默认）时，单元每个节点有6个自由度，即x，y和z方向的平动和绕其轴的转动[1，2]。Ansys有限元模型如图3所示。
2.3边界约束
对于结构与土体的设置如图4所示，结构主体周围以及底板与土体采用带有隙缝的接触单元进行连接，单元一端固定，另一端与结构相连，之间的接触设置为只压接触，当结构与土壤互相脱离时，土体不对结构产生作用，在Ansys模型中采用COMBIN40单元。对于抗拔桩与土体的设置如图5所示，采用一般弹性支承模拟，在Ansys模型中采用COMBIN14单元[2]。由于较长的抗拔桩穿越三个土层，因此在实际建模过程中抗拔桩的弹簧采用三个不同刚度进行模拟，弹簧刚度取值直接根据式（1）计算得到，并未考虑抗拔桩的时间效应，因此在同一土层弹簧刚度相同[3]。
3.地震响应分析
在设计中考虑到主体结构体型复杂，三个结构层存在较大的不规则，结构安全等级为一级等多方面因素，在对主体结构进行地震响应分析时采用了两种不同的分析方法，即反应谱分析和时程分析[4]。
3.1反应谱分析
根据结构设计，结构分组为第一组，场地类别为II类，阻尼比为0.05。结构设防烈度为6度（0.05g），采用设防地震计算，罕遇地震校核。
图6和图7给出了设防地震和罕遇地震的加速度谱，设防地震水平地震影响系数最大值为0.12g，对于罕遇地震，其水平地震影响系数为0.28g。
对主体结构从X、Y两个不同方向分别考虑设防地震和罕遇地震作用，同时结合地下结构所处水环境考虑无水基本组合和有水基本组合两种工况，综合分析了结构的位移响应和内力响应。
从反应谱分析得知，在同一工况下，X方向的反应谱分析与Y方向的反应谱分析结果相近，最大相对差在6.8%左右，表明结构对于X和Y方向的地震动响应基本类似。在设防地震作用下，主体结构的各结构层梁的反应谱分析应力云图如下图8所示。
综合分析各结构层梁的反应谱分析应力云图可知，主体结构中梁应力较大的位置主要分布边缘位置，且大部分应力最大的位置主要为顶板与地下一层夹板之间的隧道两端处的梁，此外地下一层底板的珞喻路隧道和2号线南延线的上部径向直梁的应力也较大。
除此之外，反应谱分析结果表明结构在设防地震与罕遇地震下构件内力位置分布情况一致，但是罕遇地震下结构的构件受到的内力较大，是设防地震的2~3倍。结构在无水和有水不同的基本组合下内力也有差别，但差别不是很显著。根据在有水基本组合下，X+0.65Z的反应谱分析表明，结构梁柱最大内力处的内力与有水基本组合X方向罕遇地震最大内力相近，但是产生最大内力的柱位置略有不同。
3.2时程分析
根据反应谱分析结果可以发现，结构应力最大部分处于结构的9号线隧道的两端，Z方向位移最大点在地铁9号线出口右侧，因此需要着重分析隧道两端位移以及内力情况，如图9所示给出了9号线隧道两端的两个位移时程取样点P1、P2和一个内力时程取样点E1。
在进行地震时程分析时根据此地震波采用软件生成一条人工地震波，地震波幅值为0.53m/s2，地震波平稳段持续时间为10s，同时调整最小周期为0.02s。将生成的人工地震波转换为反应谱如图10所示。可以发现人工地震波的反应谱曲线与目标的反应谱曲线基本吻合。可以用于结构设防地震下的动力响应分析[5]。
在ANSYS中将结构的无水基本组合和有水基本组合荷载施加，进行模态分析，得到结构两种工况的前两阶整体模态分别如图11、图12所示。
假定结构的阻尼比ζ=0.05，瑞雷阻尼的α值和β值由结构的前两阶振型的频率根据式（2）计算所得[6]，计算结果见表2。
3.2.1 取样点位移分析
根据阻尼计算结果重新建立有限元模型，在模型上施加X+0.65Z方向的人工地震波加速度以及相应的阻尼。对主体结构两个位移取样点的谱分析结果如图13所示，在人工地震波作用下，结构的位移幅值较小，其中P1点与P2点的X方向位移幅值在6mm左右，Z方向幅值在4mm左右。在设防地震作用下对两个位移取样点的反应谱分析结果如图14所示，P1点X方向的位移在5mm左右，Z方向的位移在4mm左右，P2点的位移与时程分析结果基本一致。这表明时程分析的结果与反应谱分析的位移结果接近。
Fig.14 Displacement cloud of the response spectrum analysis
3.2.2 取样点独立墙片分析
针对时程内力取样点E1处的独立墙片，沿外部环向梁提取其剪应力SXY，并沿路径求和绘制出时程曲线，将时程曲线的应力结果与墙体厚度乘积获得剪力时程曲线，结果如图 15所示。根据图示结果可以看出该片墙体所受剪力幅值在14000kN左右，应注意加固。
4.设计建议
通过将已有的设计模型导入到ANSYS中进行分析，考虑单向及多向地震荷载影响，在考虑地震荷载时，结合了反应谱法和时程分析法，通过两种方法的对比及应力分布分析给出如下设计建议：
1）水平向地震动分量在车站结构的地震响应中起主导作用，会产生水平向的剪切破坏及水平相对位移，应重点考虑，但为了满足结构设计和分析的安全性，应该充分的考虑竖向地震动分量的影响[1，5，7]；
2）在同一工况下，x方向的反应谱分析与y方向的反应谱分析结果相近，最大相对差在6.8%左右。在考虑现有条件下，可进一步优化桩位、框架柱、片墙布置，尽可能使结构在x和y方向抗侧刚度一致；
3）由于主体结构中梁应力较大的位置主要分布在边缘位置，可适当加大边缘处框架梁的截面，同时尽可能使边缘环向梁封闭，以改善其可能存在的应力集中现象；
4）由于顶板与地下一层夹板之间的隧道两端处的梁为结构应力最大位置，层间可采用钢筋混凝土墙连成整体，简化为Ⅰ型深梁计算；
5）对于地下一层底板的珞喻路隧道和2号线南延线的上部径向直梁，由于跨度较大，环向贯通梁的侧向约束较小，可采用型钢替代部分钢筋的型钢梁设计；
6）设防地震作用时，反应谱计算与时程分析计算位移结果虽相吻合，但竖向位移最大位置都出现在地铁9号线出口边缘处，容易使此处的独立墙片存在刚度突变现象，进而使该区域局部梁柱在地震作用下承受的地震力较大，建议对独立墙片周边的梁柱进行适当加强处理；
7）地震作用下，取样点E1处的独立墙片剪力相对较大，幅值在14000kN左右，因此对此处的独立墙片应采用加大竖向受剪配筋的加固处理。
参考文献：
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[5]吕立宁.地铁地下结构地震响应数值计算研究[D].成都：西南交通大学，2011
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[7]陈建云，胡志强，林皋.大型地下结构三维地震响应特点研究[J].大连理工大学学报，2003，43（3）：344-348
作者简介：
董先龙（1982-），男，湖北宜昌人，2006年毕业于河南科技大学，土木工程专业，本科，工程师，现主要从事隧道及地下工程结构设计和技术管理工作。E-mail：635866122@qq.com
论文作者:董先龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/22
标签：结构论文; 地下论文; 位移论文; 隧道论文; 主体论文; 应力论文; 所示论文; 《基层建设》2016年第34期论文;